PTA 螺旋輸送機(jī)螺旋軸斷裂分析及其改善

謝亨贊

（海南逸盛石化有限公司，海南 儋州 578101）

對于PTA 生產(chǎn)裝置而言，其裝置內(nèi)存在螺旋輸送機(jī)，該螺旋輸送機(jī)的主要作用是對PTA/CTA 的粉料進(jìn)行輸送，然而，由于PTA/CTA 粉料中含有較強(qiáng)的腐蝕性，如果周圍環(huán)境濕度較高，就會使得粉料產(chǎn)生結(jié)塊，從而給輸送機(jī)帶來堵塞現(xiàn)象，一旦輸送機(jī)產(chǎn)生堵塞，就會給設(shè)備的整體運(yùn)行造成故障，該故障主要表現(xiàn)在螺旋軸表面產(chǎn)生大量的裂紋，甚至斷裂，而一旦螺旋輸送機(jī)的螺旋軸產(chǎn)生斷裂，就會給設(shè)備的正常運(yùn)作帶來不利影響，不僅會阻礙工廠的日常生產(chǎn)，情況嚴(yán)重時，還會威脅工作人員的人身安全，容易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

1 螺旋軸斷裂成因

一般而言，PTA 螺旋輸送機(jī)的螺旋軸主要使用的是無縫厚管壁，兩端采用加熱的方式進(jìn)行鑲嵌，并且采用焊接驅(qū)動和非驅(qū)動軸頭，同時，螺旋葉片會利用焊接的方式與螺旋輸送機(jī)螺旋軸的厚壁管外部進(jìn)行有效的連接，在連接過程中，主要通過焊接連續(xù)螺的方式來進(jìn)行有效的支撐，這樣才不會使得螺旋軸因螺旋輸送機(jī)自身的重力而產(chǎn)生表面撓曲度的現(xiàn)象。在實(shí)際運(yùn)行過程中，螺旋輸送機(jī)的螺旋軸始終會處于上部受壓、下部受拉的狀態(tài)，而且，螺旋軸在轉(zhuǎn)動過程中，受壓和受拉的部位也會交替變化，因此，螺旋軸在運(yùn)行過程中主要承受著交變應(yīng)力，如果該應(yīng)力不均勻，或者螺旋軸表面產(chǎn)生細(xì)小的缺陷，就會給其表面帶來一定數(shù)量的裂紋，隨著時間的不斷增長，裂紋就會逐漸擴(kuò)大，裂紋擴(kuò)大的同時，也會降低螺旋軸截面的承受能力，當(dāng)截面無法承受螺旋輸送機(jī)傳遞的扭矩時，螺旋軸便會產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。

2 螺旋軸強(qiáng)度和剛度增強(qiáng)途徑

一般而言，螺旋輸送機(jī)在使用過程中，輸送機(jī)的螺旋軸主要是兩端支撐結(jié)構(gòu)。因此，工作人員在對螺旋軸進(jìn)行分析時，可采用簡單的軸力學(xué)模型對螺旋軸的受力狀況進(jìn)行有效的分析，而且，工作人員首先要了解螺旋軸在運(yùn)行過程中主要承受的是交變應(yīng)力，那么，只有有效降低螺旋軸表面所承受的交變應(yīng)力的值，這樣才能延長螺旋軸的使用壽命。對于材料力學(xué)行業(yè)領(lǐng)域，其在簡支梁計算方面存在固定的公式，可以使用到螺旋軸受力分析計算中，因此，在計算軸管中部彎矩的最大值（用Mmax表示）時，使用到的公式為Mmax=ql2/8，其中，簡支梁的長度就是螺旋軸兩軸承之間的距離，用字母l 表示，公式中q 所表示的便是軸管的平均荷載力，算出以上公式結(jié)果以后，就需要對軸管所受彎矩表面的應(yīng)力值進(jìn)行計算，該應(yīng)力值用Wmax表示，計算公式為Wmax=Mmax/G，其中，G 為軸管抗彎截面模量，與主管的外徑和厚度之間存在直接聯(lián)系。

在對PTA 螺旋輸送機(jī)螺旋軸進(jìn)行設(shè)計過程中，其在提高螺旋軸強(qiáng)度和剛性時，可以采用大直徑且厚度較厚的軸管來完成。然而，根據(jù)以上的計算公式，螺旋軸總長度達(dá)到固定值時，適當(dāng)?shù)卦黾勇菪S壁管的厚度和截面尺寸，雖然能夠提高螺旋軸自身的抗彎截面，但也會增大軸管表面的平均荷載力，從而便會增加相應(yīng)的彎矩。因此，如果只是單獨(dú)增加螺旋輸送機(jī)螺旋軸的長度，就會降低螺旋軸表面的應(yīng)力值，無法達(dá)到預(yù)期的效果。此外，將螺旋軸自身的結(jié)構(gòu)特征和荷載特點(diǎn)輸入到ANSYS 有限元分析軟件中并構(gòu)建有限元模型，在規(guī)定的螺旋輸送機(jī)螺旋軸邊界條件下，對螺旋軸的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的分析，然后，就能在軟件中將螺旋軸在運(yùn)行過程中所受到的力的大小、力的方向以及受力的狀態(tài)進(jìn)行模擬，從而就能在分析結(jié)果上算出螺旋軸的表面應(yīng)力以及所能承受的最大撓曲度?？偠灾?，除了增大螺旋軸軸管直徑和壁厚這個方法以外，還能夠增加螺旋軸兩端支撐部位的直徑，這也能有效降低螺旋軸整體的彎曲豎直，從而就能降低表面的應(yīng)力值，這也能達(dá)到提高螺旋軸的強(qiáng)度和剛性的效果。

3 軸管的防裂方法

（1）一般而言，對于PTA 螺旋輸送機(jī)螺旋軸，其表面焊接的結(jié)構(gòu)與螺旋軸自身的使用壽命之間存在直接聯(lián)系。因此，為了提高螺旋軸自身的剛性和強(qiáng)度，可以通過減少軸管表面的焊接部位和焊接量來完成。對于螺帶式螺旋軸結(jié)構(gòu)而言，其主要是通過焊縫帶動加強(qiáng)板以及支撐桿來進(jìn)行轉(zhuǎn)動，針對與螺旋葉片進(jìn)行有效焊接的支撐桿而言，其作用主要是推動物料向前運(yùn)動，在此過程中，主管與加強(qiáng)板之間主要受到焊縫所承受的剪切應(yīng)力，而且，多處加強(qiáng)板焊縫周邊出現(xiàn)的位置會與軸心線的裂紋相互垂直。此外，螺旋輸送機(jī)螺旋軸管中部裂紋的長度較長，該處裂紋會使得螺旋軸表面的裂紋逐漸擴(kuò)大并最終產(chǎn)生軸管的斷裂現(xiàn)象。螺帶式螺旋軸結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 螺帶式螺旋軸結(jié)構(gòu)

（2）針對螺旋管中部產(chǎn)生裂紋且裂紋長度較長這個現(xiàn)象，可以將軸管周圍安裝的加強(qiáng)板進(jìn)行拆除，然后，在軸管中插入支撐桿，并與主管表面進(jìn)行有效的焊接，改進(jìn)后的螺帶式螺旋軸結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。在對螺帶式螺旋軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，雖然裂縫問題有所好轉(zhuǎn)，但是，如果螺旋輸送機(jī)螺旋軸處于長期運(yùn)作狀態(tài)，焊縫處依然會產(chǎn)生裂紋，對該處裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，主要原因是焊接的支撐桿在螺旋輸送機(jī)螺旋軸中是處于懸臂結(jié)構(gòu)，起到了支撐作用，并且螺旋輸送機(jī)對物料所產(chǎn)生的力應(yīng)用在支撐桿的頂端。在螺旋軸運(yùn)行過程中，支撐桿會隨著螺旋軸的轉(zhuǎn)動而處于設(shè)備的下方，此時，會推動物料向前進(jìn)，在此過程中，會受到相應(yīng)的荷載力，而如果支撐桿隨著螺旋軸旋轉(zhuǎn)到設(shè)備的上部，就沒有材料可供支撐桿推動，此時，支撐桿不受到任何力的作用。在螺旋軸整個旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過程中，支撐桿根部焊接縫依然處于交變荷載力的作用下，一旦運(yùn)作時間較長，焊接處也會產(chǎn)生裂縫。

圖2 螺帶式螺旋軸的結(jié)構(gòu)(改進(jìn)一)

（3）針對以上情況，需要對改進(jìn)后的螺帶式螺旋軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次的改進(jìn)。在改進(jìn)過程中，將支撐桿作為一個整體穿過軸管，此時，支撐桿便不是螺旋軸的懸臂結(jié)構(gòu)，一定程度上提高了螺旋軸自身的剛性，而且，將支撐桿整體插入軸管中，支撐桿與軸管之間的焊縫高度相比改進(jìn)前得到了大幅度降低，同時，在焊接過程中，也需要對焊接的方式進(jìn)行良好的改進(jìn)，可以采用氬弧焊的方式，這樣就不會使得螺旋軸管表面因焊接操作而產(chǎn)生缺陷。再次改進(jìn)后的螺帶式螺旋軸的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 螺帶式螺旋軸的結(jié)構(gòu)(改進(jìn)二)

4 PTA 螺旋輸送機(jī)螺旋軸主軸的結(jié)構(gòu)改造

一般而言，PTA 螺旋輸送機(jī)的長度約為11 米，因此，可以將一臺螺旋輸送機(jī)改裝成兩個串聯(lián)的且每個長度為六米的螺旋輸送機(jī)，這樣就能有效降低螺旋輸送機(jī)螺旋軸主軸的長度，從而就能降低主軸的撓度。在選擇螺旋軸整鍛厚壁管時，嚴(yán)禁對厚壁管進(jìn)行拼接，同時，確保厚壁管兩端都采用實(shí)心軸進(jìn)行加強(qiáng)。對于螺旋中空軸和兩端的實(shí)心軸的材質(zhì)而言，一般利用進(jìn)口的316L，而且，用于螺旋軸輸送機(jī)的不銹鋼鍛件要符合JB4728-1999 不銹鋼鍛件技術(shù)條件的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，可以將螺旋軸和葉片的外表面進(jìn)行打磨并拋光，在打磨過程中，確保表面的粗糙度不大于五微米，而且，也要對螺旋軸殼體內(nèi)部進(jìn)行打磨拋光，確保內(nèi)部的粗糙度也不大于五微米，這樣才能減小螺旋輸送機(jī)在輸送物料時，物料本身與主軸、螺旋葉片、外殼之間的摩擦力，從而就能延長螺旋輸送機(jī)的使用壽命。對于螺旋輸送機(jī)的軸承而言，其可以采用進(jìn)口雙列調(diào)心滾柱軸承，而且，軸承內(nèi)必須帶有內(nèi)錐套，這樣才能為輸送機(jī)的安裝工作提供良好的便利。由于輸送機(jī)的殼體在較高運(yùn)行溫度下會產(chǎn)生一定的熱膨脹量，因此，需要將輸送機(jī)的支座一端進(jìn)行有效的固定，其他部分可以按照實(shí)際的使用需求設(shè)置為可滑動形式。在對螺旋輸送機(jī)進(jìn)行改裝以后，對主軸的改裝圖如圖四所示，同時，改裝完成后，也要對螺旋輸送機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場布置，布置過程中可以遵照圖五的現(xiàn)場布置示意圖來進(jìn)行。在圖4 中1為實(shí)心軸、2 為空心主軸、3 為螺旋葉片，在圖5 中，1 為驅(qū)動電機(jī)、2 為支承基座、3、4 為螺旋輸送機(jī)、5 為樓板。

圖4 改造后的主軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 螺旋輸送機(jī)現(xiàn)場布置示意圖

5 螺旋輸送機(jī)的制造及驗(yàn)收

5.1 制造加工要求

對于殼體和螺旋軸這兩個主要部件而言，對其有著明確的規(guī)定，一般而言，PTA 螺旋輸送機(jī)螺旋軸殼體都會經(jīng)過下料、成形、對接這三個流程，當(dāng)對接操作完成以后，確保螺旋軸直線度的要求為0.6‰，而且，對于螺旋軸兩端軸承座定位的殼體兩段端板內(nèi)的孔洞而言，需要采用專用的工裝組對焊接，這樣才能確保螺旋軸兩端板內(nèi)孔的同軸度和端板平面與軸線的垂直度相等。此外，在對螺旋軸、中空管進(jìn)行加工之前，要將中空管道垂直度進(jìn)行矯正，確保其自身的直線度小于0.6‰，然后，對螺旋軸的中空管與軸頭進(jìn)行加熱并進(jìn)行鑲嵌。最后，用鉸制孔銷釘將中空管與軸頭進(jìn)行有效的固定，同時，將螺旋軸的兩端頭進(jìn)行焊接。因此，對于螺旋軸軸頭與中空軸連接操作而言，其主要采用三種連接形式：第一，焊接法。第二，采用過盈配合法。第三，首先，要選購總數(shù)為12 個且直徑為20 毫米的稍釘，每四個為一組，共分成三組，將稍釘嵌入螺旋軸和中空軸連接的相對應(yīng)的部位，以此提高連接的穩(wěn)定性。在將螺旋軸焊接完成后，要將螺旋軸表面的應(yīng)力進(jìn)行消除，然后，對螺旋軸的整體進(jìn)行有序的加工，確保每組兩個軸頭處于同軸度位置，而且，在將螺旋葉片打造成型以后，要確保模具的導(dǎo)程誤差不會超過正負(fù)五毫米。此外，對于任意模具而言，其誤差要控制在正負(fù)10 毫米范圍之內(nèi)。最終，對殼體表面、螺旋軸內(nèi)外表面、葉片外表面進(jìn)行打磨拋光處理，打磨拋光完成以后，確保螺旋軸、葉片的內(nèi)外表面粗糙度均小于1.6 微米。

5.2 檢驗(yàn)

利用超聲波探傷技術(shù)對螺旋軸的厚壁管進(jìn)行整體的掃描。在利用超聲波探傷操作過程中，要將殼體表面所有的焊縫進(jìn)行著色處理，同時，對厚壁管與葉片之間的焊縫也要進(jìn)行著色處理。然后，在螺旋葉片與中空軸進(jìn)行對接之前，對將要采用的焊接工藝進(jìn)行綜合評定，只有滿足實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)要求，才能進(jìn)行焊接操作，而且，保證螺旋葉片對后著色探傷。此外，對于螺旋軸的殼體而言，要對其進(jìn)行水壓或氣密性實(shí)驗(yàn)，確保殼體表面的剛度、硬度以及氣密性均滿足實(shí)際的使用標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)語

綜上所述，工作人員在使用螺旋輸送機(jī)時，其必須采取相對應(yīng)的措施來提高軸管須的剛度和強(qiáng)度，這樣才能確保螺旋輸送機(jī)螺旋軸能夠長時間處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。因此，首先，要了解螺旋輸送機(jī)螺旋軸運(yùn)行的原理，對螺旋軸運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的以及受到的應(yīng)力進(jìn)行綜合分析，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇合適的中空軸軸徑、壁厚和兩端軸承安裝的部位的尺寸。此外，不僅要確保螺旋軸整體結(jié)構(gòu)的完整性，還要盡量減少軸管外表面焊接部位和焊接縫的數(shù)量，將焊接縫的高度控制在合理范圍內(nèi)，并采用氣體保護(hù)焊接法，這才能確保PTA 螺旋輸送機(jī)螺旋軸能夠良好地運(yùn)行，不會產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。